Пояснення квантових обчислень: коли комп’ютери порушують закони фізики

Що таке квантові обчислення і чому вони порушують правила

Звичайні комп'ютери обробляють інформацію за допомогою бітів: значення, які є 0 або 1.Це все або нічого, без середнього рівн класичному 3-бітному комп'ютеру можна обробляти комбінацію 0 і 1с за раз Квантовий комп'ютер, однак, працює з кубіти (квантові біти), які дотримуються зовсім інших правил, ніж фізика, яку ми знаємо.

Велика різниця полягає в концепції, яка називається суперпозиція.Кубіт може бути 0 і 1 одночасно, поки не виміряти Здається неможливим?Саме тому він порушує класичну логік оли звичайний комп'ютер повинен перевірити кожну можливість одну за одною, квантовий комп'ютер досліджує відразу кілька можливосте и маючи лише 300 кубітів у суперпозиції, ви б мали більше можливих станів, ніж атомів існують у Всесвіті.

Ця експоненціальна обчислювальна потужність є причиною того, що такі гіганти, як Google, IBM і Microsoft, інвестують мільярди в квантові дослідження.

Стовпи квантових обчислень

Суперпозиція: Бути в двох місцях одночасно

Суперпозиція - це найбільш інтуїтивно зрозуміла основа квантових обчислен оли ви вимірюєте класичний біт, це вже 0 або 1.Коли ви вимірюєте кубіт, його, ймовірно, можна знайти в 0 або 1, але до вимірювання він існує в обох станах одночасн е незнання про те, яке реальне значення дорівнює 0 або 1. це дійсно в обох державах поки не спостерігається.

Така поведінка була продемонстрована у відомому експерименті з подвійною щілиною: частинка може пройти відразу два шляхи, заважаючи сама собі Вона є основою квантової механіки, і квантові комп'ютери досліджують саме цей принцип Чим більше кубітів у суперпозиції, тим більший простір можливостей досліджується одночасно.

Заплутаність: миттєва незрозуміла кореляція

Заплутаність (заплутаність) навіть дивніша, ніж суперпозиці оли два або більше кубітів заплутуються, стан одного миттєво впливає на стан іншого, незалежно від того, наскільки вони віддален ейнштейн назвав це "моторошною дією на відстані" і не вірив, що це реально.

Але це реально, і це так необхідний для квантової потужностіу заплутаному квантовому комп'ютері вимірювання кубіта надає інформацію про його супутників, створюючи кореляції, які класичні комп'ютери не можуть відтворити.

Квантові перешкоди: посилення правильних відповідей

Квантова інтерференція дозволяє квантовим алгоритмам збільшувати ймовірності правильних відповідей і скасовувати неправильні оне т - це все одно, що регулювати хвилі так, щоб хребти (правильні відповіді) ставали високими, а долини (неправильні відповіді) зникал ісля цієї маніпуляції з ймовірностями читання правильної відповіді з кубіта було б лише питанням удачі.

Як квантовий комп'ютер працює на практиці

Фізичний квантовий комп'ютер надзвичайно делікатн убіти зазвичай є атомами, фотонами або електронами, захопленими в інтенсивних електромагнітних поля любе збурення тепла, вібрації, випромінювання та випромінювання руйнує суперпозиці о більшість квантових комп'ютерів працюють у квантовому середовищі температури близькі до абсолютного нуля, близько -273°C.

Обробка відбувається за чіткими кроками: бутстрап (підготовка кубітів у суперпозиції), і операция (застосувати квантові порти, які маніпулюють кубітами), або заплутаність (з'єднання кубітів для створення кореляцій) і вимірювання (отримати результат, який згортає суперпозицію на 0 або 1 аданість полягає в тому, щоб кубіти постійно залишалися стабільними, оскільки будь-яка помилка компрометує обчислення.

В даний час найдосконаліші квантові комп'ютери мають від 50 до 433 кубіті IBM досягла 433 кубітів в 2022 році, але вони все ще стикаються з високим рівнем помилок, щоб вирішити реальні проблеми, йому потрібно буде досягти мільйонів логічних кубітів і різко зменшити помилки 'ймовірно, десятиліття або більше досліджень.

Проблеми, які можуть вирішити квантові обчислення

Для повсякденних завдань, таких як серфінг в Інтернеті або редагування документів, класичні комп'ютери залишаться ідеальни Але є певні поля, де кубіти мають експоненціальну перевагу.

Шифрування та безпека: Квантові комп'ютери можуть зламати більшість систем шифрування, що використовуються сьогодні в minute his призвело до розробки постквантової криптографії, алгоритмів, які протистоять як класичним, так і квантовим комп'ютерам.

Молекулярне моделювання: Моделювання складних молекул є одним з найбільш перспективних використан еробка нових ліків, добрив або матеріалів зі специфічними властивостями передбачає тестування мільярдів комбінаці квантовий комп'ютер міг би зробити це різко швидше, потенційно прискорюючи медичні відкриття.

Оптимізація: Такі проблеми, як пошук найефективнішого маршруту в розподільчій мережі, оптимізація інвестиційних портфелів або планування сотень ресурсів, можна швидше вирішити за допомогою квантових алгоритмів, таких як QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm).

Машинне навчання: Деякі алгоритми машинного навчання можуть бути прискорені кількісно Моделі навчання з мільярдами параметрів є обчислювально дорогими; квантові реалізації можуть значно знизити ці витрати.

Поточні виклики та шлях у майбутнє

Найбільшим викликом є декогеренція: суперпозиційні кубіти швидко втрачають свій квантовий стан при впливі інтерференці иповий кубіт зберігає свою суперпозицію лише мікросекунди до колапс о той час комп'ютеру потрібно робити мільярди операцій.

Інша проблема - це квантова корекція помилокна відміну від класичних бітів, ви не можете просто скопіювати кубіт, щоб перевірити його значення, оскільки вимірювання руйнує йог и повинні будете створити системи з квантовою надлишковістю, використовуючи кілька фізичних кубітів для захисту одного логічного кубіт араховано, що для кожного надійного логічного кубіта потрібно 1000 фізичних кубітів.

Незважаючи на ці проблеми, прогрес прискорюєтьс ульхмарні квантові комп'ютери вже доступні & IBM пропонує вільний доступ до своїх систем через платформу Qiski ослідники по всьому світу тестують алгоритми і уточнюють techni it очікується, що в наступному десятилітті ми побачимо перші квантові комп'ютери з практичною здатністю вирішувати реальні проблеми в таких галузях, як фармацевтика, фінанси та енергетика.

Майбутній вплив квантових обчислень

Коли квантові обчислення дозріють, це перетворить цілі industri n охорони здоров'я, розробка ліків буде прискорена з років до mone n енергії, оптимізація сонячних панелей і батарей може призвести до набагато більш ефективних technolog n штучного інтелекту, більш складні і потужні нейронні мережі стануть життєздатними.

Але є й ризики: злам традиційної криптографії є реальною загрозо івряди та компанії вже мігрують на криптографічні стандарти, стійкі до квантових комп'ютері рім того, квантові обчислення посилять нерівності.

Що точно, так це те, що ми живемо в історичному момент и є свідками переходу від теоретичної ілюзії до технологічної реальност квантові комп'ютери не порушують закони фізики; насправді, вони, нарешті, експлуатують ї освоєння квантової механіки для обробки інформації є одним з найбільших наукових досягнень, які людство може досягти, і ця революція тільки починається.